EP0350586A2 - Lichtelektrische Positionsmesseinrichtung - Google Patents

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EP0350586A2
EP0350586A2 EP89108347A EP89108347A EP0350586A2 EP 0350586 A2 EP0350586 A2 EP 0350586A2 EP 89108347 A EP89108347 A EP 89108347A EP 89108347 A EP89108347 A EP 89108347A EP 0350586 A2 EP0350586 A2 EP 0350586A2
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EP
European Patent Office
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scanning
graduation
light sources
measuring device
distance
Prior art date
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EP89108347A
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English (en)
French (fr)
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EP0350586A3 (en
EP0350586B1 (de
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Alfons Dipl.-Ing. Ernst
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Publication date
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Publication of EP0350586A3 publication Critical patent/EP0350586A3/de
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses
    • G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings

Definitions

  • the invention relates to a photoelectric position measuring device according to the preamble of claim 1.
  • Such position measuring devices are used in particular in machine tools for measuring the relative position of a tool with respect to a workpiece to be machined.
  • US Pat. No. 3,344,700 describes a photoelectric position measuring device for measuring the relative position of two objects, in which the division of a graduation carrier connected to one object is scanned in incident light by a scanning device connected to the other object, the two light sources, a microprism - scanning plate and has a photo element; the two light sources are supplied with supply voltages which are 180 ° out of phase with one another.
  • This dynamic measuring device with single-field scanning is complex due to the difficult to manufacture microprism scanning plate and relatively sensitive to distance and contamination.
  • This photo-element arrangement which at the same time represents a scanning division onto which the division of the division carrier is imaged, generates a periodic scanning signal which contains the relative path information; from this periodic scan After filtering in an interpolation device, the measured values for the relative position of the two objects are obtained.
  • This complex measuring device is sensitive to partial contamination.
  • DE-OS 29 40 847 describes a photoelectric position measuring device with a carrier-frequency scanning and interpolation for measuring the relative position of two objects, in which the division of a division carrier connected to one object is scanned in transmitted light by a scanning device connected to the other object.
  • the scanning device contains two light sources, a scanning plate with four scanning divisions, each offset by a quarter of the lattice constant of the division, and four photo elements assigned to the scanning divisions. Two periodic supply voltages with a mutual phase shift of 90 ° each apply to one of the two light sources; two scanning divisions are assigned to a light source.
  • a sum signal is formed from the scanning signals of the four photo elements, the phase of which is compared with the phase of one of the supply voltages of the two light sources in order to obtain the measured values for the relative position of the two objects.
  • This measuring device has no single-field scanning and is sensitive to partial contamination.
  • a photoelectric position measuring device for measuring the relative position of two objects is known, in which the division of a division carrier connected to one object is scanned by a scanning device connected to the other object.
  • the scanning device and the distance are hermetically sealed between the surfaces of the graduation carrier and the scanning device acted upon by the light rays so small that a continuously homogeneous wetting liquid layer is formed in the region of the scanning device from liquid drops possibly located on these surfaces of the graduation carrier.
  • the invention has for its object to provide a photoelectric position measuring device of the type mentioned, which is insensitive to contamination.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that the proposed measures in a photoelectric position measuring device enable high measuring accuracy and measuring certainty in a simple manner despite occurring contaminants, which cannot be avoided when using the position measuring device in processing machines, so that when machining Workpieces absenteeism and scrap are reduced.
  • Such impurities can change the amplitude of the alternating voltage signal generated by the photoelement, but not its phase position, from which the measured values for the relative position of the two objects are determined.
  • FIG. 1 schematically shows a photoelectric position measuring device for measuring the relative position of two objects in a longitudinal view.
  • the grating T of a transparent graduation carrier TT which is connected to the movable object, not shown, is scanned by a scanning device A connected to the stationary object, not shown.
  • This scanning device A has an illumination unit B, a scanning plate AP with a scanning grating graduation AT and a sensor unit SE.
  • the two objects can be formed by a movable carriage and the stationary bed of a processing machine, not shown.
  • the lighting unit B contains three discrete light sources L1, L2, L3 and a condenser K for illuminating a division area TB of the division T of the division carrier TT for a so-called single-field scanning.
  • the three discrete light sources L1, L2, L3 have a mutual distance b in the measuring direction X, so that the three parallel ones emerging from the condenser K. Beams of light LB1, LB2, LB3 of the three light sources L1, L2, L3 for each adjacent light source L1, L2, L3 enclose an angle ⁇ with one another. There is a relatively large parallel distance a between the scanning graduation AT of the scanning plate AP and the graduation T of the graduation carrier TT; the scanning graduation AT and the graduation T have an identical lattice constant C.
  • a common photoelement P is assigned to the three light sources L1, L2, L3, which are arranged in the focal plane of the condenser K, in the sensor unit SE.
  • the three light beams LB1, LB2, LB3 of the three light sources L1, L2, L3 pass through the scanning graduation AT of the transparent scanning plate AP and the respective common graduation area TB of the graduation T of the transparent graduation carrier TT and fall on the common photoelement P, which has a periodic scanning signal S generated in the form of an AC voltage signal.
  • This periodic scanning signal S together with a supply voltage VS1 of the three supply voltages VS1, VS2, VS3 of the three light sources L1, L2, L3 is fed to a phase evaluation unit in the form of a phase comparator PV.
  • the three supply voltages VS1, VS2, VS3 are from a supply voltage source VSQ and have the common frequency fv.
  • the frequency fa of the periodic scanning signal S generated by the photo element P is identical to the frequency fv of the three supply voltages VS1, VS2, VS3 when the position measuring device is at a standstill.
  • the phase position PA of the periodic scanning signal S changes with respect to the phase position PV of the periodic supply voltage VS1 due to the relative movement of the division carrier TT with respect to the scanning device A in the measuring direction X.
  • the phase difference PD between the phase position PA of the periodic scanning signal S and the phase position PV of the periodic supply voltage VS1 is determined by the phase comparator PV and fed to an evaluation device AW to form interpolated measured values MW for the relative position of the two objects; With these interpolated measured values MW, division factors 100 and higher are possible.
  • the scanning plate AP is arranged so that the scanning graduation AT has the relatively large parallel distance a from the division T of the graduation carrier TT and nevertheless there is only a small parallel distance c between the scanning plate AP and the graduation carrier TT; this small distance c compared to the large distance a is achieved in that the scanning graduation AT is arranged on the surface of the scanning plate AP facing away from the graduation carrier TT.
  • This parallel distance c is so small dimensioned so that any liquid drops located on the graduation carrier TT form a continuously homogeneous wetting liquid layer between the scanning plate AP and the graduation carrier TT in the area of the scanning plate AP; Liquid drops with optically effective surfaces are therefore not possible between the scanning plate AP and the graduation carrier TT.
  • the measuring accuracy of this position measuring device depends crucially on the distance a between the scanning graduation AT of the scanning plate AP and the graduation T of the graduation carrier TT being kept constant, since the angle ⁇ between the parallel light beams LB1, LB2, LB3 of the three light sources L1 , L2, L3 the phase position PA of the periodic scanning signal S of the photo element P changes with distance changes ⁇ a of the distance a.
  • This distance a can be maintained in a manner not shown in that the scanning device A is guided on sliding shoes or on ball bearings on the surface of the graduation carrier TT.
  • Such a small distance b can be realized by a special semiconductor light source, in which the three light sources L1, L2, L3 are applied next to each other in an integrated form at this corresponding distance b in the measuring direction X.
  • Another possibility according to FIG. 2 is to arrange three commercially available semiconductor light sources L1, L2, L3 so that they lie on a line at an angle to the measuring direction X and have the corresponding distance b in the measuring direction X.
  • the common photoelement P generates a periodic scanning signal S with a largely harmonic-free sinusoidal course. If the three periodic supply voltages VS1, VS2, VS3 have a rectangular shape, the periodic scanning signal S is subject to harmonics which can be largely eliminated by a filter (not shown).
  • a further reduction in the harmonics of the periodic scanning signal S can be achieved in that the three supply voltages VS1, VS2, VS3 have the following overlapping switch-on states for the three light sources L1, L2, L3: conditions Light sources 1 L1 2nd L1 + L2 3rd L2 4th L2 + L3 5 L3 6 L3 + L1 etc
  • a periodic scanning signal S is generated as from a light source which is arranged between the two light sources L1, L2.
  • a part of their light fluxes can be directed to a reference photocell and the three supply voltages VS1, VS2, VS3 can be regulated in such a way that the reference photocell is connected a constant output signal is always generated.
  • the measuring accuracy of the proposed position measuring device is not impaired by partial contamination of the division T of the division carrier TT and / or the scanning division AT of the scanning plate AP because of the single-field scanning.
  • the amplitude of the periodic scanning signal S of the photoelement P can gradually decrease over time due to such contaminations.
  • the three light sources L1, L2, L3 can be regulated brighter to compensate for such contamination and / or aging of the light sources L1, L2, L3, so that the amplitude of the alternating voltage signal S generated by the photoelement P remains constant.
  • the harmonics in the periodic scanning signal S of the photoelement P decrease.
  • the graduation carrier TT with the graduation T and the scanning device A can be accommodated in a housing, the longitudinal slot of which is closed by sealing lips through which a driver for connecting the scanning device A engages with the object to be measured; such an encapsulated position measuring device is described in DE-OS 33 11 118.
  • the graduation T of the graduation carrier TT can be protected against wetting by liquids by a cover glass (not shown) cemented on and the photo element P by a transparent plate TP in front. There is also the distance c between the surface of the transparent plate TP and the facing surface of the graduation carrier TT.
  • the photo element P can also be replaced by a photo element with a small light-sensitive area and a correspondingly smaller capacity, which is preceded by a converging lens.
  • the condenser K common to the n discrete light sources Ln can also be omitted or a separate condenser is assigned to each light source Ln in a manner not shown.
  • the invention can be used in the case of photoelectric position measuring devices in the form of length measuring devices or angle measuring devices.

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Abstract

Bei einer derartigen Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte wird die Teilung (T) eines mit dem einen Objekt verbundenen Teilungsträgers (TT) von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtasteinrichtung (A) abgetastet. Die Abtasteinrichtung (A) weist für eine Einfeldabtastung drei Lichtquellen (L1 - L3) mit einem gegenseitigen Abstand (b) in Meßrichtung (X), einen Kondensor (K), eine Abtastteilung (AT) sowie ein Photoelement (P) auf. Die drei periodischen Versorgungsspannungen (VS1 - VS3) jeweils benachbarter Lichtquellen (L1 - L3) besitzen einen gegenseitigen Phasenversatz von 120° und die aus dem Kondensor (K) austretenden benachbarten Lichtstrahlenbündel (LB1 - LB3) schließen einen Winkel (α) miteinander ein. Während zwischen der Abtastteilung (AT) und der Teilung (T) ein relativ großer Abstand (a) besteht, ist der Abstand (c) zwischen der Abtasteinrichtung (A) und dem Teilungsträger (TT) wesentlich geringer. Der Winkel (α) und der Abstand (a) werden so vorgegeben, daß die benachbarten Lichtstrahlenbündel (LB1 - LB3) auf der Teilung (T) mit der Teilungsperiode (C) einen gegenseitigen Versatz V = C/3 aufweisen. Das vom Photoelement (P) erzeugte periodische Abtastsignal (S) wird gemeinsam mit einer Versorgungsspannung (VS1) einem Phasenvergleicher (PV) zur Erzeugung von Meßwerten (MW) zugeführt. Die vorgeschlagene Meßeinrichtung ist unempfindlich gegenüber Verunreinigungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische Posi­tionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­spruchs 1.
  • Derartige Positionsmeßeinrichtungen werden insbeson­dere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Rela­tivlage eines Werkzeugs bezüglich eines zu bearbei­tenden Werkstücks eingesetzt.
  • Aus dem Sonderdruck aus Zeiss Informationen Heft 77 "Zeiss Phocosin" von Adolf Weyrauch, Scho. VI/70 Pto ist im Absatz "Phocosin-Geber" eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung bekannt, bei der die Teilung eines mit dem einen Objekt verbundenen Teilungsträgers von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtastein­richtung im Durchlicht abgetastet wird, die eine Beleuch­tungseinheit in Form eines Lichtleiters und eines Kondensors, eine Abtastplatte mit einer Abtastteilung sowie eine Sensoreinheit aus vier in Meßrichtung be­abstandeten Photoelementen zur Erzeugung von vier periodischen Abtastsignalen mit einem gegenseitigen Phasenversatz von 90° aufweist. Durch partielle Ver­ schmutzungen der Teilung und örtliche Teilungsfeh­ler können durch diese vier nebeneinanderliegenden, örtlich voneinander getrennten Abtastfelder für die vier Photoelemente unterschiedliche Amplituden der paarweise voneinander zu subtrahierenden Abtastsig­nale auftreten. Diese Fehlerquelle wird durch die Verwendung eines einzigen Abtastfeldes vermieden. Bei dieser Einfeldabtastung wird ein bestimmter Ab­stand zwischen der Teilung des Teilungsträgers und der Abtastteilung der Abtastplatte vorgesehen und erfolgt die Durchstrahlung der Teilung und der Ab­tastteilung mit unterschiedlicher Neigung für die vier Photoelemente, so daß die vier Abtastsignale den gegenseitigen Phasenversatz von 90° aufweisen. Diese statisch wirkende Meßeinrichtung ist relativ abstands- und verschmutzungsempfindlich.
  • In der Internationalen Veröffentlichung WO 87/07944 ist eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte offen­bart, bei der die Teilung eines mit dem einen Ob­jekt verbundenen Teilungsträgers von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtasteinrichtung im Auf­licht abgetastet wird, die drei in Meßrichtung ver­setzt angeordnete Lichtquellen, eine zweigeteilte Ab­tastplatte mit zwei gegeneinander phasenverschobenen Abtastteilungen sowie drei zugeordnete Photoelemente zur Erzeugung dreier gegeneinander phasenverschobener periodischer Abtastsignale aufweist. Bei dieser sta­tisch wirkenden Meßeinrichtung mit Einfeldabtastung bedingt die zweigeteilte Abtastplatte einen großen Abstand zwischen der Abtastplatte und dem Teilungs­träger, der eine relativ grobe Teilungsperiode der Teilung und der Abtastteilungen zur Folge hat, so daß die Meßgenauigkeit nicht ausreichend ist; durch diesen großen Abstand ist die Meßeinrichtung em­pfindlich gegenüber Verbiegungen des Teilungsträ­gers und gegenüber Verunreinigungen.
  • In der US-PS 3 344 700 ist eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativ­lage zweier Objekte beschrieben, bei der die Tei­lung eines mit dem einen Objekt verbundenen Tei­lungsträgers von einer mit dem anderen Objekt ver­bundenen Abtasteinrichtung im Auflicht abgetastet wird, die zwei Lichtquellen, eine Mikroprismen-­Abtastplatte sowie ein Photoelement aufweist; die beiden Lichtquellen sind mit gegeneinander um 180° phasenversetzten Versorgungsspannungen beaufschlagt. Diese dynamisch wirkende Meßeinrichtung mit Einfeld­abtastung ist wegen der schwierig herzustellenden Mikroprismen-Abtastplatte aufwendig aufgebaut und relativ abstands- und verschmutzungsempfindlich.
  • Aus dem Buch "Winkel- und Wegmessung im Maschinenbau" von Dr.-Ing. Hans Walcher, zweite Auflage 1985 VDI-­Verlag GMbH, Düsseldorf im Absatz 3.7.5. "Dynamische photoelektrische Rasterabtastung" Seiten 83-89 ist noch eine dynamisch wirkende Positionsmeßeinrichtung bekannt, bei der die Teilung eines mit dem einen Ob­jekt verbundenen Teilungsträgers von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtasteinrichtung im Auf­licht abgetastet wird, die eine Lichtquelle, einen Teilerspiegel, eine Feldlinse und ein Objektiv sowie eine Sensoreinheit in Form einer selbtabtastenden Photo­elementenanordnung aufweist. Diese Photoelementenanord­nung, die gleichzeitig eine Abtastteilung darstellt, auf die die Teilung des Teilungsträgers abgebildet wird, er­zeugt ein periodisches Abtastsignal, das die relative Weginformation enthält; aus diesem periodischen Abtast­ signal werden nach einer Filterung in einer Inter­polationseinrichtung die Meßwerte für die Relativ­lage der beiden Objekte gewonnen. Diese aufwendig aufgebaute Meßeinrichtung ist empfindlich gegenüber partiellen Verunreinigungen.
  • In der DE-OS 29 40 847 ist eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung mit einer trägerfrequenten Abtastung und Interpolation zur Messung der Relativ­lage zweier Objekte beschrieben, bei der die Teilung eines mit dem einen Objekt verbundenen Teilungsträgers von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtastein­richtung im Durchlicht abgetastet wird. Die Abtastein­richtung enthält zwei Lichtquellen, eine Abtastplatte mit vier jeweils um ein Viertel der Gitterkonstanten der Tei­lung zueinander versetzten Abtastteilungen sowie vier den Abtastteilungen zugeordnete Photoelemente. Zwei periodische Versorgungsspannungen mit einem gegen­seitigen Phasenversatz von 90° beaufschlagen jeweils eine der beiden Lichtquellen; jeweils zwei Abtast­teilungen sind einer Lichtquelle zugeordnet. Aus den Abtastsignalen der vier Photoelemente wird ein Sum­mensignal gebildet, dessen Phase mit der Phase einer der Versorgungsspannungen der beiden Lichtquellen zur Gewinnung der Meßwerte für die Relativlage der beiden Objekte verglichen wird. Diese Meßeinrichtung weist keine Einfeldabtastung auf und ist empfind­lich gegenüber partiellen Verunreinigungen.
  • Aus der DE-OS 33 11 118 ist eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte bekannt, bei der die Teilung eines mit dem einen Objekt verbundenen Teilungsträgers von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtastein­richtung abgetastet wird. Zur Vermeidung einer Stö­rung des Strahlengangs der lichtelektrischen Ab­tastung durch Flüssigkeitstropfen sind die Abtast­einrichtung hermetisch verschlossen und der Abstand zwischen den von den Lichtstrahlen beaufschlagten Flächen des Teilungsträgers und der Abtasteinrich­tung so gering bemessen, daß aus gegebenenfalls auf diesen Flächen des Teilungsträgers befindlichen Flüssigkeitstropfen im Bereich der Abtasteinrich­tung eine durchgehend homogene benetzende Flüssig­keitsschicht gebildet wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine licht­elektrische Positionsmeßeinrichtung der genannten Gattung anzugeben, die unempfindlich gegenüber Verunreinigungen ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagenen Maßnah­men bei einer lichtelektrischen Positionsmeßeinrich­tung auf einfache Weise eine hohe Meßgenauigkeit und Meßsicherheit trotz auftretender Verunreinigungen er­möglichen, die bei einem Einsatz der Positionsmeßein­richtung bei Bearbeitungsmaschinen nicht zu vermeiden sind, so daß bei der Bearbeitung von Werkstücken Fehl­zeiten und Ausschuß reduziert werden. Derartige Ver­unreinigungen können zwar die Amplitude des vom Pho­toelement erzeugten Wechselspannungssignals verändern, nicht jedoch seine Phasenlage, aus der die Meßwerte für die Relativlage der beiden Objekte ermittelt werden.
  • Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen
    • Figur 1 eine lichtelektrische Positions­meßeinrichtung in einer Längsan­sicht und
    • Figur 2 einen Teilungsträger mit einer An­ordnung von Lichtquellen.
  • In Figur 1 ist schematisch eine lichtelektrische Po­sitionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte in einer Längsansicht dargestellt. Die Gitter­teilung T eines transparenten Teilungsträgers TT, der mit dem nicht gezeigten beweglichen Objekt verbunden ist, wird von einer mit dem nicht gezeigten stationä­ren Objekt verbundenen Abtasteinrichtung A abgetastet. Diese Abtasteinrichtung A weist eine Beleuchtungsein­heit B, eine Abtastplatte AP mit einer Abtastgitterteilung AT sowie eine Sensoreinheit SE auf. Die beiden Objekte können durch einen beweglichen Schlitten und das sta­tionäre Bett einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine gebildet sein.
  • Die Beleuchtungseinheit B enthält drei diskrete Licht­quellen L1, L2, L3 sowie einen Kondensor K zur Beleuch­tung eines Teilungsbereichs TB der Teilung T des Tei­lungsträgers TT für eine sogenannte Einfeldabtastung. Die drei periodischen Versorgungsspannungen VS1, VS2, VS3 für die drei diskreten Lichtquellen L1, L2, L3 be­sitzen für jeweils benachbarte Lichtquellen L1, L2, L3 einen jeweiligen gegenseitigen Phasenversatz von 360°/3 = 120°.
  • Die drei diskreten Lichtquellen L1, L2, L3 weisen in Meßrichtung X einen gegenseitigen Abstand b auf, so daß die drei aus dem Kondensor K austretenden parallelen Lichtstrahlenbündel LB1, LB2, LB3 der drei Licht­quellen L1, L2, L3 für jeweils benachbarte Licht­quellen L1, L2, L3 einen Winkel α miteinander ein­schließen. Zwischen der Abtastteilung AT der Abtast­platte AP und der Teilung T des Teilungsträgers TT besteht ein relativ großer paralleler Abstand a; die Abtastteilung AT und die Teilung T besitzen eine identische Gitterkonstante C.
  • Der Winkel α zwischen den drei Lichtstrahlenbündeln LB1, LB2, LB3 der drei Lichtquellen L1, L2, L3 so­wie der parallele Abstand a zwischen der Abtasttei­lung AT der Abtastplatte AP und der Teilung T des Teilungsträgers TT werden derart vorgegeben, daß die parallelen Lichtstrahlenbündel LB1, LB2, LB3 jeweils benachbarter Lichtquellen L1, L2, L3 im vom Konden­sor K beleuchteten Teilungsbereich TB der Teilung T in Mleßrichtung X einen gegenseitigen Versatz V = C/3 aufweisen.
  • Den drei Lichtquellen L1, L2, L3, die in der Brenn­ebene des Kondensors K angeordnet sind, ist in der Sensoreinheit SE ein gemeinsames Photoelement P zu­geordnet. Die drei Lichtstrahlenbündel LB1, LB2, LB3 der drei Lichtquellen L1, L2, L3 durchsetzen die Ab­tastteilung AT der transparenten Abtastplatte AP und den jeweiligen gemeinsamen Teilungsbereich TB der Tei­lung T des transparenten Teilungsträgers TT und fallen auf das gemeinsame Photoelement P, das ein periodisches Abtastsignal S in Form eines Wechselspannungssignals erzeugt. Dieses periodische Abtastsignal S wird mit­samt einer Versorgungsspannung VS1 der drei Ver­sorgungsspannungen VS1, VS2, VS3 der drei Lichtquel­len L1, L2, L3 einer Phasenauswerteeinheit in Form eines Phasenvergleichers PV zugeführt. Die drei Ver­sorgungsspannungen VS1, VS2, VS3 werden von einer Versorgungsspannungsquelle VSQ geliefert und besitzen die gemeinsame Frequenz fv.
  • Die Frequenz fa des vom Photoelement P erzeugten periodischen Abtastsignals S ist beim Stillstand der Positionsmeßeinrichtung mit der Frequenz fv der drei Versorgungsspannungen VS1, VS2, VS3 identisch. Beim Meßvorgang ändert sich jedoch die Phasenlage PA des periodischen Abtastsignals S gegenüber der Phasen­lage PV der periodischen Versorgungsspannung VS1 infolge der Relativbewegung des Teilungsträgers TT gegenüber der Abtasteinrichtung A in Meßrichtung X. Die Phasendifferenz PD zwischen der Phasenlage PA des periodischen Abtastsignals S und der Phasenlage PV der periodischen Versorgungsspannung VS1 wird vom Phasenvergleicher PV ermittelt und einer Aus­werteeinrichtung AW zur Bildung von interpolierten Meßwerten MW für die Relativlage der beiden Objekte zugeführt; bei diesen interpolierten Meßwerten MW sind Unterteilungsfaktoren 100 und höher möglich.
  • Die Abtastplatte AP ist so angeordnet, daß die Ab­tastteilung AT den relativ großen parallelen Abstand a von der Teilung T des Teilungsträgers TT aufweist und trotzdem zwischen der Abtastplatte AP und dem Teilungsträger TT nur ein kleiner paralleler Ab­stand c besteht; dieser gegenüber dem großen Ab­stand a kleine Abstand c wird dadurch erzielt, daß die Abtastteilung AT auf der dem Teilungsträger TT abgewandten Oberfläche der Abtastplatte AP angeord­net ist. Dieser parallele Abstand c ist so gering bemessen, daß gegebenenfalls auf dem Teilungsträ­ger TT befindliche Flüssigkeitstropfen im Bereich der Abtastplatte AP eine durchgehend homogene be­netzende Flüssigkeitsschicht zwischen der Abtast­platte AP und dem Teilungsträger TT bilden; Flüs­sigkeitstropfen mit optisch wirksamen Oberflächen sind somit zwischen der Abtastplatte AP und dem Teilungsträger TT nicht möglich.
  • Die Meßgenauigkeit dieser Positionsmeßeinrichtung hängt entscheidend davon ab, daß der Abstand a zwischen der Abtastteilung AT der Abtastplatte AP und der Teilung T des Teilungsträgers TT konstant gehalten wird, da sich durch den Winkel α zwischen den parallelen Lichtstrahlenbündeln LB1, LB2, LB3 der drei Lichtquellen L1, L2, L3 die Phasenlage PA des periodischen Abtastsignals S des Photoelements P bei Abstandsänderungen Δa des Abstandes a ändert. Die Konstandhaltung dieses Abstandes a kann in nicht dargestellter Weise dadurch erfolgen, daß die Abtast­einrichtung A auf Gleitschuhen oder auf Kugellagern auf der Oberfläche des Teilungsträgers TT geführt wird. Durch Wahl einer relativ großen Gitterkonstan­ten C für die Teilung T und für die Abtastteilung AT werden ein großer Abstand a und damit ein sehr klei­ner Winkel α ermöglicht, so daß beispielsweise durch Unrundlauf der Kugellager der Abtasteinrichtung A bedingte Abstandsänderungen Δa des Abstandes a kei­nen merklichen Einfluß auf die Meßgenauigkeit ha­ben.
  • Als Zahlenbeispiel beträgt der in Meßrichtung X wirk­same Abstand b zwischen den Lichtquellen L1, L2, L3 bei einer Brennweite z = 15 mm des Kondensors K, ei­ nem Abstand a = 1mm zwischen der Abtastteilung AT und der Teilung T und einer Gitterkonstanten C = 100 µm der Abtastteilung AT und der Teilung T:
    b = z · C/3a = 0,5 mm.
  • Ein derartig kleiner Abstand b kann durch eine spezielle Halbleiterlichtquelle realisiert werden, bei der die drei Lichtquellen L1, L2, L3 in Meßrich­tung X auf einem Substrat in integrierter Form in diesem entsprechenden Abstand b nebeneinander auf­gebracht sind. Eine andere Möglichkeit besteht nach Figur 2 darin, drei handelsübliche Halbleiterlicht­quellen L1, L2, L3 so anzuordnen, daß sie auf einer Linie schräg zur Meßrichtung X liegen und in Meßrich­tung X den entsprechenden Abstand b aufweisen.
  • Besitzen die drei periodischen Versorgungsspannungen VS1, VS2, VS3 für die drei Lichtquellen L1, L2, L3 einen sinusförmigen Verlauf, so erzeugt das gemein­same Photoelement P ein periodisches Abtastsignal S mit einem weitgehend oberwellenfreien sinusförmigen Verlauf. Bei einem rechteckförmigen Verlauf der drei periodischen Versorgungsspannungen VS1, VS2, VS3 ist das periodische Abtastsignal S mit Oberwel­len behaftet, die durch ein nicht gezeigtes Filter weitgehend beseitigt werden können. Eine weitere Re­duzierung der Oberwellen des periodischen Abtastsig­nals S kann dadurch erzielt werden, daß die drei Ver­sorgungsspannungen VS1, VS2, VS3 folgende sich über­lappende Einschaltzustände für die drei Lichtquellen L1, L2, L3 aufweisen:
    Zustände Lichtquellen
    1 L1
    2 L1 + L2
    3 L2
    4 L2 + L3
    5 L3
    6 L3 + L1 u.s.w.
  • Leuchten beispielsweise die beiden Lichtquellen L1, L2 gleichzeitig, so entsteht ein periodisches Abtast­signal S wie von einer Lichtquelle, die zwischen den beiden Lichtquellen L1, L2 angeordnet ist.
  • Um sicherzustellen, daß die drei Lichtquellen L1, L2, L3 gleiche Helligkeiten über ihre gesamte Lebens­dauer aufweisen, kann in nicht dargestellter Weise ein Teil ihrer Lichtströme auf ein Referenzphoto­element geleitet und die drei Versorgungsspannungen VS1, VS2, VS3 so geregelt werden, daß an dem Referenz­photoelement immer ein konstantes Ausgangsignal er­zeugt wird.
  • Die Meßgenauigkeit der vorgeschlagenen Positionsmeß­einrichtung wird durch partielle Verunreinigungen der Teilung T des Teilungsträgers TT und/oder der Abtastteilung AT der Abtastplatte AP wegen der Ein­feldabtastung nicht beeinträchtigt. Die Amplitude des periodischen Abtastsignals S des Photoelements P kann aber durch derartige Verunreinigungen im Lau­fe der Zeit allmählich abnehmen. Durch einen nicht gezeigten weiteren Regler können aber die drei Licht­quellen L1, L2, L3 zur Kompensation derartiger Verun­reinigungen und/oder einer Alterung der Lichtquellen L1, L2, L3 heller geregelt werden, so daß die Amplitude des vom Photoelement P erzeugten Wechselspannungssi­gnals S konstant bleibt.
  • Ganz allgemein werden n Lichtquellen Ln mit n = 3, 4, ... verwendet; die periodischen Versorgungs­spannungen VSn jeweils benachbarter Lichtquellen Ln besitzen einen gegenseitigen Phasenversatz von 360°/n und die parallelen Lichtstrahlenbündel LBn weisen in Meßrichtung X einen gegenseitigen Versatz V = C/n auf. Mit wachsender Anzahl n der Lichtquellen Ln reduzie­ren sich die Oberwellen im periodischen Abtastsignal S des Photoelements P.
  • In bekannter Weise können zum Schutz gegen Verunreini­gungen der Teilungsträger TT mit der Teilung T und die Abtasteinrichtung A in einem Gehäuse untergebracht sein, dessen Längsschlitz durch Dichtlippen verschlos­sen ist, durch die ein Mitnehmer zur Verbindung der Abtasteinrichtung A mit dem zu messenden Objekt hin­durchgreift; eine derartige gekapselte Positionsmeß­einrichtung ist in der DE-OS 33 11 118 beschrieben.
  • Weiterhin können die Teilung T des Teilungsträgers TT durch ein aufgekittetes Deckglas (nicht darge­stellt) und das Photoelement P durch eine vorge­setzte transparente Platte TP vor einer Benetzung durch Flüssigkeiten geschützt sein. Zwischen der Oberfläche der transparenten Platte TP und der zu­gewandten Oberfläche des Teilungsträgers TT besteht ebenfalls der Abstand c.
  • Das Photoelement P kann in nicht gezeigter Weise auch durch ein Photoelement mit kleiner lichtem­pfindlicher Fläche und entsprechend geringerer Ka­pazität ersetzt werden, dem eine Sammellinse vorge­schaltet ist.
  • Der den n diskreten Lichtquellen Ln gemeinsame Kon­densor K kann auch entfallen oder es werden in nicht gezeigter Weise jeder Lichtquelle Ln ein eigener Kon­densor zugeordnet.
  • Die Erfindung ist bei lichtelektrischen Positions­meßeinrichtungen in Form von Längenmeßeinrichtungen oder Winkelmeßeinrichtungen einsetzbar.

Claims (11)

1. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung zur Mes­sung der Relativlage zweier Objekte, bei der die Gitterteilung eines mit dem einen Objekt verbun­denen Teilungsträgers von einer mit dem anderen Objekt verbundenen Abtasteinrichtung berührungs­frei abgetastet wird, die eine Beleuchtungsein­heit, eine Abtastplatte mit einer Abtastgittertei­lung sowie eine Sensoreinheit aufweist, bei der die Beleuchtungseinheit mehrere in Meßrichtung versetzt angeordnete Lichtquellen aufweist, die mit gegenein­ander phasenversetzten Versorgungsspannungen beauf­schlagt sind, bei der die von den Lichtquellen aus­gehenden Lichtstrahlenbündel die Gitterteilung des Teilungsträgers und die Abtastgitterteilung der Ab­tastplatte durchsetzen und auf die Sensoreinheit fallen und bei der eine Phasenauswerteeinheit vorge­sehen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) die Beleuchtungseinheit (B) enthält mindestens drei Lichtquellen (Ln) (n = 3, 4, 5 ...) zur Be­leuchtung eines gemeinsamen Teilungsbereiches (TB) der Gitterteilung (T) des Teilungsträgers (TT);
b) die n periodischen Versorgungsspannungen (VSn) jeweils benachbarter Lichtquellen (Ln) besitzen einen gegenseitigen Phasenversatz von 360°/n;
c) der Abstand c zwischen benachbarten Oberflächen der Abtastplatte (AP) und des Teilungsträgers (TT) ist wesentlich geringer als der Abstand a zwischen der Abtastgitterteilung (AT) und der Gitterteilung (T);
d) der Abstand a zwischen der Abtastgitterteilung (AT) der Abtastplatte (AP) und der Gittertei­lung (T) des Teilungsträgers (TT) und ein Win­kel α zwischen den Lichtstrahlenbündeln (LBn) jeweils benachbarter Lichtquellen (Ln) sind der­art vorgegeben, daß die Lichtstrahlenbündel (LBn) jeweils benachbarter Lichtquellen (Ln) im beleuch­teten Teilungsbereich (TB) der Gitterteilung (T) mit der Teilungsperiode C einen gegenseitigen Ver­satz V = C/n in Meßrichtung X aufweisen;
e) das von der Sensoreinheit (SE) erzeugte perio­dische Abtastsignal (S) wird der Phasenauswerte­einheit (PV) zugeführt.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß den n Lichtquellen (Ln) ein gemeinsamer Kondensor (K) zugeordnet ist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß die Abtastteilung (AT) der Abtasteinrichtung (A) auf der einen Oberfläche der Abtastplatte (AP) angeordnet ist, die der Teilung (T) des Teilungsträ­gers (TT) zur Erzielung des Abstandes a abgewandt ist, und daß zwischen der anderen Oberfläche der Ab­tastplatte (AP) und der zugewandten Oberfläche des Teilungsträgers (TT) der Abstand c besteht.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Abtasteinrichtung (A) zur Kon­standhaltung des Abstandes a zwischen der Abtast­teilung (AT) und der Teilung (T) auf dem Teilungs­träger (TT) geführt ist.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die n Lichtquellen (Ln) in inte­grierter Form auf einem Substrat mit einem gegen­seitigen Abstand b in Meßeinrichtung X angeordnet sind.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die n Lichtquellen (Ln) gesondert auf einer Linie schräg zur Meßrichtung X mit ei­nem gegenseitigen Abstand b in Meßrichtung X an­geordnet sind.
7. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß den n Lichtquellen (Ln) ein Refe­renzphotoelement und ein Regler zur Regelung der n Versorgungsspannungen (VSn) zugeordnet ist.
8. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Teilung (T) des Teilungsträ­gers (TT) durch ein aufgekittetes Deckglas ge­schützt ist.
9. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Photoelement (P) der Sensorein­heit (SE) durch eine vorgesetzte transparente Platte (TP) geschützt ist.
10. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 3 und 9, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberfläche der transparenten Platte (TP) und der zugewandten Oberfläche des Teilungsträgers (TT) ebenfalls der Abstand c besteht.
11. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das periodische Abtastsignal (S) gemeinsam mit einer Versorgungsspannung (VSn) der Phasenauswerteeinheit (PV) zugeführt wird.
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